Eva Maria Falge. Berechnung der Kronendachtranspiration von Fichtenbeständen (Picea abies (L.) KARST.) mit unterschiedlichen Modellierungsansätzen

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Hans Dresdner
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1 Eva Maria Falge Berechnung der Kronendachtranspiration von Fichtenbeständen (Picea abies (L.) KARST.) mit unterschiedlichen Modellierungsansätzen Dissertation aus dem Lehrstuhl für Pflanzenökologie II des Bayreuther Instituts für Terrestrische Ökosystemforschung (BITÖK) Universität Bayreuth Juni 1997 gefördert aus Mitteln der Bayerischen Klimaforschungsgruppe - BayFORKLIM (Projekt B III 3) sowie des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) (Fördernummer: PT BEO A + B) Bayreuther Forum Ökologie Band 48 /1997 ISSN

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Aufstellung der Daten-, Modelltheorie- und Ahalysenquellen Danksagungen i vii ix 1 EINLEITUNG 2 STAND DER FORSCHUNG 2.1 Kronendachtranspiration von Wäldern Allgemeines Messung der Kronendachtranspiration Beurteilung Gaswechselmodellierung in Waldbeständen Bottom-up-Ansätze Allgemeines Beispiele für bottom-up"-ansätze Eindimensionale Modelle Dreidimensionale Modelle Beurteilung der bottom-up"-ansätze Top-down"-Ansätze Allgemeines Beispiele für big-leaf'-ansätze Funktionaler Typ (Wasserbilanz) Analytischer Typ (Penman-Monteith-Gleichung) Simulationsmodell-Typ (neue Generation von,,big-leaf"-modellen) Beurteilung der big-leaf'-ansätze Transpirationsanteil an der Wasserbilanz von Einzugsgebieten 11 3 MODELLIERUNG DES GASWECHSELS VON PICEA 4B/ES-ZWEIGEN Zusammenfassung Einleitung Methoden Untersuchungsflächen und Pflanzenmaterial Küvettegaswechselmessungen Zweiggaswechselmodell Ergebnisse Bestimmung der Modellparameter Ableitung von Datensätzen aus Tageslaufmessungen in der Lägeren Dunkelatmung (r d ) Potentielle Rate der RuBP-Regeneration (P m ) Maximale Carboxylierungsgeschwindigkeit (Vc max ) 22

3 Lichtausnutzungseffizienz (a) Faktor für die stomatäre Leitfähigkeit (gfac) Simulation der Gaswechselreaktionen Reaktion auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit Tagesläufe des Gaswechsels Diskussion Allgemeines Diskussion der Modellergebnisse Schlußfolgerungen 39 4 AUSWIRKUNGEN DER BESTANDESSTRUKTUR UND -PHYSIOLOGIE AUF DEN GASAUSTAUSCH VON WÄLDERN: EINE MODELLIERUNGSSTUDIE FÜR PICEA ABIES Zusammenfassung Einleitung Methoden Modellbeschreibung Zweiggaswechsel Lichtinterzeption und Gaswechsel individueller Bäume Gaswechsel in Waldbeständen Modellparametrisierung Untersuchungsflächen Kronendachstruktur Physiologische Parameter Messung der Witterungsbedingungen Simulationen Bedeutung der Lichtgradienten in Baumkronen Bedeutung der Blattdichte in Nachbarbaumkronen Bedeutung der Blattdichte in der Krone und Baumdichte im Bestand Bedeutung der gewählten Modellbaumstruktur Bedeutung der physiologischen Parametrisierung Ergebnisse Auswirkung von Lichtgradienten in Baumkronen Auswirkung der Blattdichte in Nachbarbaumkronen Auswirkung der Blattdichte in der Krone und Baumdichte im Bestand Auswirkung der gewählten Modellbaumstruktur Auswirkung der physiologischen Parametrisierung Diskussion Allgemeines Diskussion der Modellergebnisse Schlußfolgerungen 65 5 MODELLIERUNG DES GASWECHSELS VON PICEA db/es-beständen UNTERSCHIEDLICHEN ALTERS IM WASSEREINZUGSGEBIET LEH- STENBACH / FICHTELGEBIRGE 67

4 5.1 Zusammenfassung Einleitung Methoden Modellbeschreibung Zweiggaswechsel Gaswechsel des Einzelbaums Bestandesgaswechsel Modellparametrisierung Untersuchungsflächen Strukturelle Parametrisierung Bestandesstruktur Struktur individueller Bäume Physiologische Parametrisierung Messung der Witterungsbedingungen Simulationen Tagessummen der Transpiration individueller Bäume Transpiration und CO 2 -Fixierung durch das Kronendach Ergebnisse Modellvalidierungen Tagessummen der Transpiration individueller Bäume Transpiration und CO 2 -Fixierung durch das Kronendach Einfluß der Bestandesstruktur Transpiration durchschnittlicher Nadeln im Kronendach C-Gewinn durchschnittlicher Nadeln im Kronendach Lichtausnutzungseffizienz des Bestandes Diskussion Allgemeines Diskussion der Modellannahmen und -ergebnisse Schlußfolgerungen 94 MODELLIERUNG DER AUSWIRKUNGEN VON KÄLTESTREßPERIODEN AUF DEN GASWECHSEL VON PICEA AB/ES-BESTÄNDEN Zusammenfassung Einleitung Zweiggaswechsel montaner Fichten in Davos Methoden Untersuchungsflächen und Pflanzenmaterial Küvettegaswechselmessungen Ergebnisse Parametrisierung des Zweiggaswechselmodells Dunkelatmung (r d ) Potentielle Rate der RuBP-Regeneration (P m ) Maximale Carboxylierungsgeschwindigkeit (Vc max ) Lichtausnutzungseffizienz (a) Faktor für die stomatäre Leitfähigkeit (gfac) 102

5 Modellierung des Gaswechsels von Einzelzweigen Diskussion Bestandesgaswechselmodellierung im Stegerwald Methoden Untersuchungsfläche und Pflanzenmaterial Messungen für die Parametrisierung des Bestandesmodells Messungen zur Bestandesstruktur Messungen zur Struktur individueller Bäume Messung der Witterungsbedingungen Ergebnisse Parametrisierung des Kronendachmodells Bestandesparametrisierung Einzelbaumparametrisierung Physiologische Parametrisierung Simulation der Gaswechselreaktionen Tagesläufe der Kronendachtranspiration Tagessummen der Kronendachtranspiration Diskussion Xylemsaftflußmessungen im Stegerwald Methoden Untersuchungsfläche und Pflanzenmaterial Xylemflußmessungen nach Granier Ergebnisse Diskussion Schlußfolgerungen MODELLIERUNG VON PHOTOSYNTHESE UND TRANSPIRATION VON FICHTENBESTÄNDEN MIT HILFE EINES BIOLOGISCHEN BIG-LEAF"- MODELLS Zusammenfassung Einleitung Methoden Zur Theorie des BIGLEAF-Modells Die Parametrisierung des BIGLEAF-Modells Berechnung von Faktprenabhängigkeitskurven mit STANDFLUX Die STANDFLUX-Modelle für Weiden Brunnen und Coulissenhieb Temperaturabhängigkeit der RuBP-Regenerierungskapazität des Bestandes Temperaturabhängigkeit der Atmungskapazitäten aller benadelten und unbenadelten Zweige und aller Stämme im Bestand Lichtabhängigkeit der Photosynthese des Kronendachs bei CO 2 - Sättigung CO 2 -Abhängigkeit der Nettophotosynthese des Kronendachs 129

6 Stomatäre Leitfähigkeit des Kronendachs Durchschnittliche Grenzschichtleitfähigkeit des Kronendachs Transpiration des Kronendachs Beispiel einer Ableitung von BIGLEAF-Parametern für den 15.Juli (JD196) Physiologische Parameter für 10:00 Uhr Gewinnung der Tageszeitfaktoren Witterungsbedingungen über dem Bestand für Validierung Ergebnisse Vergleich der Modelle STANDFLUX und BIGLEAF Gaswechselraten-Rekonstruktion der STANDFLUX-Ergebnisse Rechenzeit der beiden Modelltypen Anwendungsgebiete der beiden Modelltypen Anwendungen des Modells BIGLEAF Tagessummen der Kronendachtranspiration und maximale tägliche Kronendachleitfähigkeit artifizieller Bestände Kronendachgaswechsel artifizieller Bestände für eine Vegetationsperiode Test der BIGLEAFs Anwendung auf andere Fichtenbestände Weiterentwicklungen Diskussion Allgemeines Diskussion der Modellannahmen und-ergebnisse Schlußfolgerungen ZUSAMMENFASSENDE DISKUSSION 9 ZUSAMMENFASSUNG 10 SUMMARY 11 LITERATURVERZEICHNIS 12 ANHANG Die Zweiggaswechselmodelle Allgemeines Das iterative Modell Das analytische Modell nach Baldocchi Die Berechnung der Grenzschichtleitfähigkeit bei Koniferen Das Lichtinterzeptions- und Gaswechselmodell für Einzelbäume Die Bestandesgaswechselmodelle Das dreidimensionale Bestandesgaswechselmodell STANDFLUX Das BIGLEAF-Modell 200

7 12.4 Abkürzungsverzeichnis 207 Kleine griechische Symbole 207 Große griechische Symbole 207 Kleine lateinische Symbole 208 Große lateinische Symbole 215

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